Концепция механической стабильности конструкционных сталей

Abstract

Разработан новый подход к оценке способности стали сопротивляться хрупкому разрушению, основанный на физических представлениях о микромеханизме перехода металла из пластичного состояния в хрупкое. В рамках этого подхода предложены микроскопические характеристики стабильности пластичного состояния металла: параметр и коэффициент механической стабильности. Изложена методика их экспериментального определения. Подробно проанализирована связь коэффициента механической стабильности с такими стандартными характеристиками, как пластичность при одноосном растяжении и ударная вязкость. Введена новая характеристика - силовой эквивалент охрупчивания, позволяющая в единой шкале описать охрупчивающее действие разных по физической природе факторов: сложное напряженное состояние; концентрация напряжений; низкие температуры; динамическое нагружение. Получен критерий, описывающий стабильность пластичного состояния металла в вершине макротрещины, и предложена методика экспериментального определения величины силового эквивалента охрупчивания для стандартного образца с трещиной. На примере типичных представителей конструкционных сталей низкой, средней и высокой прочности проанализированы закономерности влияния прочности стали на величину коэффициента механической стабильности. На основе этих данных сопоставляются конструкционные стали с точки зрения их стабильности по отношению к охрупчивающему действию трещиноподобных дефектов.

Розроблено новий підхід до оцінки здатності сталі чинити опір крихкому руйнуванню, який базується на фізичних уявленнях про мікромеханізм переходу металу з пластичного стану в крихкий. У рамках цього підходу запропоновано макроскопічні характеристики стабільності пластичного стану металу: параметр механічної стабільності і коефіцієнт механічної стабільності. Викладено методику їх експериментального визначення. Детально проаналізовано зв’язок коефіцієнта механічної стабільності з такими стандартними характеристиками, як пластичність при одновісному розтязі й ударна в’язкість. Введено нову характеристику - силовий еквівалент окрихчення, що дозволяє в єдиній шкалі описати окрихчуючу дію різних за фізичною природою чинників: складний напружений стан; концентрація напружень; низькі температури; динамічне навантаження. Отримано критерій, що описує стабільність пластичного стану металу в вершині макротріщини, і запропоновано методику експериментального визначення величини силового еквівалента окрихчення для стандартного зразка з тріщиною. На прикладі типових представників конструкційних сталей низької, середньої та високої міцності проаналізовано закономірності впливу міцності сталі на величину коефіцієнта механічної стабільності. На основі цих даних зіставляються конструкційні сталі з точки зору їх стабільності відносно окрихчуючої дії тріщиноподібних дефектів.

We have developed a new approach for assessment of steel resistance to brittle fracture, which is based on physical concepts of the micromechanism controlling plastic-to-brittle transition in metals. Within framework of this approach, we have proposed new microcharacteristics of the metal plastic state stability. We discuss the technique of their experimental determination. The relations between the mechanical stability coefficient and such standard characteristics as uniaxial tensile plasticity and impact elasticity are analyzed in detail. We introduce a new characteristic - an embrittlement force equivalent, which makes it possible to use a unified scale for description of the embrittlement action of various factors having different physical origins: multiaxial stress state, stress concentration, low temperatures, and dynamic loading. We have developed a criterion, which describes the stability of the metal plastic state in a microcrack tip, and proposed a technique of experimental determination of the embrittlement force equivalent value for standard cracked specimens. Using typical (low-, medium-, and high-strength) structural steels, we have studied the steel strength effect on the mechanical stability coefficient value. These results are used for a comparative analysis of structural steels with relation to their stability against the embrittling action of crack-like defects.